设计解决方案：使用少量空间为车辆添加更多 USB 端口

本文着眼于使用包含所有必要部件的单个芯片向车辆添加额外 USB 充电端口并向设备提供 5V 电压的解决方案。

本文着眼于使用包含所有必要部件的单个芯片向车辆添加额外 USB 充电端口并向设备提供 5V 电压的解决方案。

现代汽车的内部装有多个 USB 端口——位于头部装置、手套箱、扶手和后座——用于为便携式电子设备充电（图 1）。这些端口通过固定电缆连接到无线电头单元中的 USB 主机充电器/适配器。

图 1。 带 USB 插头的现代汽车控制台供乘客使用。

根据位置的不同，电缆长度可以达到几英尺，从而在汽车中产生欧姆电压降和 EMI 辐射问题。大量的USB端口给USB充电器带来了沉重的负担，这可能会在无线电头单元中产生过多的热量，影响系统的可靠性。本文讨论了现有汽车 USB 主机解决方案的缺点，并提出了一种新的、高度集成的解决方案，该解决方案可轻松支持不断增长的 USB 端口数量，同时占用最少的空间并显着减少热量产生。

现有解决方案

在便携式设备和充电器/适配器之间成功建立握手后，典型的车载 USB 适配器向便携式设备 (PD) 提供 5V 电源。一些充电器/适配器解决方案需要多个芯片，这些芯片占用宝贵的空间并且需要难以实施的电缆补偿。其他解决方案使用非同步开关稳压器实现 5V 电压源，从而导致功耗过大。空间效率低下的有损解决方案成本高昂，而且最终可靠性较低。此类解决方案将不支持在汽车中封装更多 USB 端口的增长趋势所需的下一代架构。

汽车电子的可用空间不断缩小。许多解决方案也不包括扩频频率调制，这可以最大限度地减少来自开关稳压器调制频率的 EMI 辐射。

理想的解决方案

理想的适配器/充电器解决方案将所有必要的功能集成到单个芯片中，以简化设计并节省空间。图 2 中所示的解决方案（USB 适配器 IC）包含一个同步整流降压转​​换器 (SR BUCK) 以实现最佳效率和一个感应放大器来测量负载电流。一个反馈环路会根据负载电流和电缆电阻成比例地提高输出 VSENSP，准确地消除 USB 电缆压降并独立于负载电流向设备提供 5V 电压。大电流能力是支持现代汽车中越来越多的 USB 端口的必要条件。

在图2中，数据线（HVD-、HVD+、D-、D+）实现了主机和客户端设备之间的通信，用于充电前的初始握手。

图 2。 车载USB 5V适配器原理图

这些特性可在具有 USB 保护和主机充电器/适配器仿真功能的 MAX20037/MAX20038 汽车大电流降压转换器中找到。这些 IC 结合了用于汽车 USB 主机应用的 3.5A 汽车级降压转换器、USB 主机充电器/适配器仿真器和 USB 保护开关。大电流能力方便了许多 USB 端口。

小尺寸

在 2.2MHz 频率下运行可降低输出纹波和更小的外部组件，结合小型 (5mm x 5mm) 28 引脚 TQFN IC 封装，可最大限度地减少 PCB 空间占用。

高效率

最常见的降压开关架构是非同步降压转换器。在此架构中，低侧整流器是 IC 外部的肖特基二极管。另一方面，通过利用同步架构，二极管被一个集成的、低电阻、低侧 MOSFET 取代，用作同步整流器。我们在二极管上的高压降与 MOSFET 晶体管的 RDS(ON) 上的小压降之间进行权衡。同步整流提供比典型解决方案使用的非同步转换器高得多的效率。由于采用同步整流，该器件的峰值效率远高于 90%（图 3）。

图 3。 MAX20037/MAX20038效率

电缆补偿

该器件系列包括一个 USB 负载电流检测放大器和一个可配置的反馈调节电路，旨在为固定电缆中的压降提供自动 USB 电压补偿。通过 I ² 可以轻松实现电缆补偿和诊断 C总线。外部编程电阻用作 I ² 的替代 C总线。

低噪音

IC 在强制 PWM 模式 (FPWM) 下以恒定频率运行。可选的扩频频率调制旨在最大限度地减少由于调制频率引起的 EMI 辐射。图3中，设备频率设置为2.2MHz，高于AM频段，以减少射频干扰。

负载合规

这些 IC 与 USB 兼容和非兼容负载兼容。兼容的 USB 设备在最初连接到端口时不允许吸收超过 30mA 的电流，并且不得出现超过 10μF 的电容。然后设备开始其 D+/D- 连接和枚举过程。完成“连接”过程后，设备可以拉电流（USB2.0为100mA，USB3.0为150mA）并且不能出现大于10μF的电容。

ESD 保护

这些器件具有低电压、高带宽数据开关 (MAX20037) 和高电压、高 ESD 数据开关 (MAX20038)。 MAX20037 通过外部 ESD 阵列提供高达 6V 的数据开关保护和高 ESD 保护。 MAX20038 通过内部 ESD 保护电路提供高达 18V 的数据开关保护和高 ESD 保护。

结论

现代汽车的内部装有多个用于便携式电子设备充电的 USB 端口，这给充电器/适配器带来了空间和发热方面的挑战。将这些端口连接到无线电头单元中的 USB 主机的电缆会产生欧姆压降和 EMI 辐射挑战。本文讨论了现有解决方案的缺点，并介绍了高度集成的 MAX20037/MAX20038 汽车降压转换器，该转换器支持大量端口，具有高电流能力和最小的空间占用、噪声和发热。它们通过 I ² 轻松补偿电缆欧姆损耗 C 总线或通过外部编程电阻。

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MAX20037/MAX20038 具有USB保护/主机充电器适配器仿真功能的汽车大电流降压转换器

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